Thesis (Ph.D.)--Cornell University, August, 2008. / Includes bibliographical references.

O cultivo de sorgo se encontra em grande ascensão no Brasil pelas características favoráveis deste cereal como um excelente substituto do milho na alimentação animal, pelo seu comparável valor nutritivo e melhor adaptação a climas secos. Considerando que o sorgo forrageiro é um tipo de sorgo empregado como cobertura de solo e produção de silagem, a sua característica como material lignocelulósico, sua constituição em açúcares nas suas frações celulósica e hemicelulósica, pesquisas para o seu aproveitamento biotecnológico poderão contribuir para a obtenção de produtos de interesse econômico e social, como o xilitol. A obtenção biotecnológica do xilitol, um álcool pentahidroxilado, comercialmente obtido por catálise química de xilose proveniente de materiais lignocelulósicos é uma opção de aproveitamento desta biomassa. Este produto possui características peculiares como poder adoçante comparável ao da sacarose, anticariogenicidade, indicado para diabéticos e obesos o que permite a sua ampla aplicação em diferentes segmentos industriais. Em função de seu elevado custo de produção por via química, pesquisas vêm sendo extensivamente realizadas na busca de uma tecnologia alternativa para sua obtenção por via biotecnológica. Porém, para a aplicação da biotecnologia para produção de xilitol a partir de biomassas lignocelulósicas é necessário a realização de hidrólise destes materiais para a solubilização dos açúcares constituintes da sua fração hemicelulósica. Esta fração é a de interesse, devido ao seu elevado teor de xilose, substrato para a produção de xilitol. Assim, no presente trabalho foram avaliadas 3 variedades (A, B e C) de biomassa de sorgo forrageiro para produção biotecnológica de xilitol empregando a levedura Candida guilliermondii. Foram realizadas diferentes etapas do processo como a caracterização química das variedades, hidrólise ácida, concentração à vácuo, destoxificação e fermentação dos hidrolisados. A performance fermentativa foi avaliada a partir da determinação dos parâmetros rendimento (YP/S) e produtividade (QP) de xilitol, bem como das atividades das enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH). Pela caracterização química das 3 variedades avaliadas constatou-se que não há diferenças relevantes quanto aos teores das frações celulose, hemicelulose e lignina, embora a variedade A tenha se mostrado mais promissora para a produção de xilitol, em função dos máximos parâmetros YP/S e QP obtidos. Neste caso os máximos valores de rendimento e produtividade de xilitol foram respectivamente correspondentes a 0,35 g/g e 0,16 g/L.h-1 para a variedade A, 0,25 g/g e 0,12 g/L.h-1 para a variedade B e 0,17 g/g e 0,063 g/L.h-1 para a variedade C. Consequentemente as máximas atividades enzimáticas para as enzimas XR (0,25 U/mgprot) e XDH (0,17 U/mgprot) ocorreram nas fermentações realizadas com a variedade A, embora não se observou diferenças marcantes em relação às demais variedades. / The culture of sorghum is in great ascension in Brazil due to the favorable characteristics of this cereal as an excellent substitute for the maize in the animal feeding, with comparable nutritional value and the better adaptation for dry climates. Considering forage sorghum as a type of sorghum that is used as covering of the ground and production of ensilage, its characteristics as lignocellulosic material which is constituted of sugars in its cellulosic and hemicellulosic fractions, researches for the biotechnological exploitation of this biomass will contribute for obtainment of economic and social interest products, like xylitol. The obtainment of xylitol, a pentahydroxilic alcohol, commercially obtained by chemical catalysis of xylose proceeding from lignocellulosic materials is an option of exploitation of this biomass. This product has peculiar characteristics like its sweetener power similar to that of saccharose, anticariogenicity, indicated for diabetic and obese people allowing its application in different industrial segments. Due to its raised cost of chemical production, researches have been extensively carried out in order to search a technological alternative for its obtainment by biotechnological way. However, for xylitol production from lignocellulosic biomasses by biotechnological way, the hydrolysis of these materials for the solubilization of the sugars present in its hemicellulosic fractions is necessary. This fraction is of interest, because it has large amount of xylose, substract for the production of xylitol. Then, in the present work 3 varieties (A, B and C) of forage sorghum biomass for biotechnological production of xylitol were evaluated using the Candida guilliermondii yeast. Different stages of the process were carried out: chemical characterization of the varieties, acid hydrolysis, vacuum concentration, detoxification and fermentations of the hydrolysates. The fermentative performance was evaluated from the determination of the xylitol yield (YP/S) and productivity (QP), and from the activities of the enzymes xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH). For the chemical characterization of the 3 evaluated varieties, no relevant difference was verified in relation to amounts of the cellulose, hemicellulose and lignin fractions. However the variety A showed to be more promising for the production of xylitol as a function of the obtained YP/S and QP maximum parameters. In this case the maximum values xylitol yield and productivity were respectively 0,35 g/g and 0,16 g/L.h-1 for the variety A, 0,25 g/g and 0,12 g/L.h-1 for the variety B and 0,17 g/g and 0,063 g/L.h-1 for the variety C. Consequently the maximum enzymatic activities for enzymes XR (0,25 U/mgprot) and XDH (0,17 U/mgprot) occurred in the fermentations carried out with the variety A, and no notable difference was observed in relation to the other varieties.

O cultivo de sorgo se encontra em grande ascensão no Brasil pelas características favoráveis deste cereal como um excelente substituto do milho na alimentação animal, pelo seu comparável valor nutritivo e melhor adaptação a climas secos. Considerando que o sorgo forrageiro é um tipo de sorgo empregado como cobertura de solo e produção de silagem, a sua característica como material lignocelulósico, sua constituição em açúcares nas suas frações celulósica e hemicelulósica, pesquisas para o seu aproveitamento biotecnológico poderão contribuir para a obtenção de produtos de interesse econômico e social, como o xilitol. A obtenção biotecnológica do xilitol, um álcool pentahidroxilado, comercialmente obtido por catálise química de xilose proveniente de materiais lignocelulósicos é uma opção de aproveitamento desta biomassa. Este produto possui características peculiares como poder adoçante comparável ao da sacarose, anticariogenicidade, indicado para diabéticos e obesos o que permite a sua ampla aplicação em diferentes segmentos industriais. Em função de seu elevado custo de produção por via química, pesquisas vêm sendo extensivamente realizadas na busca de uma tecnologia alternativa para sua obtenção por via biotecnológica. Porém, para a aplicação da biotecnologia para produção de xilitol a partir de biomassas lignocelulósicas é necessário a realização de hidrólise destes materiais para a solubilização dos açúcares constituintes da sua fração hemicelulósica. Esta fração é a de interesse, devido ao seu elevado teor de xilose, substrato para a produção de xilitol. Assim, no presente trabalho foram avaliadas 3 variedades (A, B e C) de biomassa de sorgo forrageiro para produção biotecnológica de xilitol empregando a levedura Candida guilliermondii. Foram realizadas diferentes etapas do processo como a caracterização química das variedades, hidrólise ácida, concentração à vácuo, destoxificação e fermentação dos hidrolisados. A performance fermentativa foi avaliada a partir da determinação dos parâmetros rendimento (YP/S) e produtividade (QP) de xilitol, bem como das atividades das enzimas xilose redutase (XR) e xilitol desidrogenase (XDH). Pela caracterização química das 3 variedades avaliadas constatou-se que não há diferenças relevantes quanto aos teores das frações celulose, hemicelulose e lignina, embora a variedade A tenha se mostrado mais promissora para a produção de xilitol, em função dos máximos parâmetros YP/S e QP obtidos. Neste caso os máximos valores de rendimento e produtividade de xilitol foram respectivamente correspondentes a 0,35 g/g e 0,16 g/L.h-1 para a variedade A, 0,25 g/g e 0,12 g/L.h-1 para a variedade B e 0,17 g/g e 0,063 g/L.h-1 para a variedade C. Consequentemente as máximas atividades enzimáticas para as enzimas XR (0,25 U/mgprot) e XDH (0,17 U/mgprot) ocorreram nas fermentações realizadas com a variedade A, embora não se observou diferenças marcantes em relação às demais variedades. / The culture of sorghum is in great ascension in Brazil due to the favorable characteristics of this cereal as an excellent substitute for the maize in the animal feeding, with comparable nutritional value and the better adaptation for dry climates. Considering forage sorghum as a type of sorghum that is used as covering of the ground and production of ensilage, its characteristics as lignocellulosic material which is constituted of sugars in its cellulosic and hemicellulosic fractions, researches for the biotechnological exploitation of this biomass will contribute for obtainment of economic and social interest products, like xylitol. The obtainment of xylitol, a pentahydroxilic alcohol, commercially obtained by chemical catalysis of xylose proceeding from lignocellulosic materials is an option of exploitation of this biomass. This product has peculiar characteristics like its sweetener power similar to that of saccharose, anticariogenicity, indicated for diabetic and obese people allowing its application in different industrial segments. Due to its raised cost of chemical production, researches have been extensively carried out in order to search a technological alternative for its obtainment by biotechnological way. However, for xylitol production from lignocellulosic biomasses by biotechnological way, the hydrolysis of these materials for the solubilization of the sugars present in its hemicellulosic fractions is necessary. This fraction is of interest, because it has large amount of xylose, substract for the production of xylitol. Then, in the present work 3 varieties (A, B and C) of forage sorghum biomass for biotechnological production of xylitol were evaluated using the Candida guilliermondii yeast. Different stages of the process were carried out: chemical characterization of the varieties, acid hydrolysis, vacuum concentration, detoxification and fermentations of the hydrolysates. The fermentative performance was evaluated from the determination of the xylitol yield (YP/S) and productivity (QP), and from the activities of the enzymes xylose reductase (XR) and xylitol dehydrogenase (XDH). For the chemical characterization of the 3 evaluated varieties, no relevant difference was verified in relation to amounts of the cellulose, hemicellulose and lignin fractions. However the variety A showed to be more promising for the production of xylitol as a function of the obtained YP/S and QP maximum parameters. In this case the maximum values xylitol yield and productivity were respectively 0,35 g/g and 0,16 g/L.h-1 for the variety A, 0,25 g/g and 0,12 g/L.h-1 for the variety B and 0,17 g/g and 0,063 g/L.h-1 for the variety C. Consequently the maximum enzymatic activities for enzymes XR (0,25 U/mgprot) and XDH (0,17 U/mgprot) occurred in the fermentations carried out with the variety A, and no notable difference was observed in relation to the other varieties.

Submitted by Nelson Amado Belo de Oliveira (nelson.amado@uol.com.br) on 2016-03-04T16:23:47Z No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO NELSON 04-04-2016.pdf: 2653308 bytes, checksum: 3ab666d3fec73879c835b6c12698d76e (MD5) / Approved for entry into archive by Fabiana da Silva Segura (fabiana.segura@fgv.br) on 2016-03-04T18:16:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO NELSON 04-04-2016.pdf: 2653308 bytes, checksum: 3ab666d3fec73879c835b6c12698d76e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-04T18:55:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DISSERTAÇÃO NELSON 04-04-2016.pdf: 2653308 bytes, checksum: 3ab666d3fec73879c835b6c12698d76e (MD5) Previous issue date: 2016-02-05 / As fontes renováveis de energia oriundas da biomassa apresentam participação destacada na matriz energética nacional, representando importante alternativa para a diversificação energética e para a diminuição no uso de combustíveis fósseis. O setor sucroenergético é autossuficiente em sistemas de cogeração para geração do vapor necessário aos seus processos, mas ainda são poucos os empreendimentos que se beneficiam ou são capazes de exportar energia elétrica, agregando valores significativos para o negócio de açúcar e etanol. O cultivo do sorgo biomassa representa uma nova cadeia produtiva para o setor e pode despontar como um combustível complementar que permite a geração de energia não só no período da safra, mas também na entressafra das usinas. A cultura apresenta sistema de produção definido, produz biomassa rapidamente disponível com elevado potencial produtivo e energético para rotas de combustão direta em caldeiras. Neste trabalho foram abordados aspectos técnicos, econômicos e os principais desafios dessa nova cadeia produtiva desde a escolha do híbrido até a colheita e entrega da matéria prima na usina. Apresenta os custos de produção da lavoura e conclui que os ganhos de produtividade e a redução de custos estão associados às práticas adequadas e ao aperfeiçoamento tecnológico dos processos agroindustriais envolvidos. O estudo valida a utilização do sorgo biomassa como combustível complementar para a geração de energia, sendo que a tomada de decisão deve considerar além da viabilidade agronômica, os retornos econômicos que ela proporciona, a análise do valor energético, e o custo do KWh gerada por esse combustível face ao valor pago pela energia excedente no mercado livre de energia. A tomada de decisão passa também pela possibilidade de aquisição da biomassa de terceiros em terras preparadas e cedidas pelas usinas, considerando-se cenários de produtividade, valores pagos pela tonelada de biomassa entregue e ganhos do produtor. O estudo aponta também para os efeitos nocivos nas caldeiras causados pela presença de álcalis e cloro presentes nas gramíneas e a necessidade de aprofunda-mento nos sistemas de recepção, mistura e armazenamento dessa biomassa após colheita. / Energy Renewable derived from biomass have an outstanding participation in the national energy matrix, representing an important alternative to energy diversification and to reduce the use of fossil fuels. The sugarcane industry is self-sufficient in cogeneration systems to generate the steam necessary to their processes, but there are few projects that benefit or are able to export electricity, adding significant value to the business of sugar and ethanol. The cultivation of sorghum biomass represents a new supply chain for the industry and emerging as a complementary fuel that allows the generation of energy not only during the harvest, but also in the off season of the plants. The culture has defined production system produces readily available biomass with high yield and energy potential for direct combustion in boilers routes. In this work we were addressed technical, economic and the main challenges of this new production chain from choosing the hybrid to harvest and delivery of raw materials at the plant. It presents the crop production costs and concludes that the productivity gains and cost savings are associated with good practice and the technological improvement of the agro-industrial processes involved. The study validates the use of sorghum biomass as a supplementary fuel for power generation, and decision-making should consider beyond the agronomic viability, economic returns that it provides, the analysis of the energy value, and the cost of KWh generated by this fuel compared to the amount paid for the surplus energy in the free energy market. Decision making also involves the possibility of acquiring biomass third in prepared land and transferred by the plants, considering productivity, amounts paid by the ton of delivered biomass and producer gains. The study also points to the adverse effects on boiler because of the presence of alkalis and chlorine present in the grasses and the need for deepening the reception systems, blending and storage of this biomass after harvest.